本发明专利技术属于光学精密测量技术领域，涉及一种自准直式共焦透镜焦距测量方法。该方法将自准直思想融入到共焦测量方法中，进而实现透镜顶焦距及焦距的高精度测量。其核心思想是，引入辅助平面反射镜将被测透镜准直成的平行光束沿原光路反射，并配合共焦技术对被测透镜的焦点及表面顶点进行精确定位，进而得到被测透镜的顶焦距及焦距。本发明专利技术首次将自准直测量思想融入共焦测量方法，利用共焦响应曲线的最大值点精确确定被测透镜的焦点及表面顶点位置，具有测量精度高、抗环境干扰能力强等优点，可用于透镜焦距的高精度检测。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学精密测量
，可用于透镜焦距的检测与光学系统装配过程中的高精度焦距测量。
技术介绍
焦距测量是一个古老而经典的透镜参数测量专题，其重要性当然是不言而喻的。 焦距是透镜众多参数中最重要的参数之一，对于透镜设计而言，无非就是调整各个参数以保证透镜焦距满足设计要求并且成像性能满足系统要求。透镜焦距测量通常包括顶焦距测量和焦距测量，在系统的设计和装调过程中，这两个参数通常密不可分，所以就要求能同时对透镜的顶焦距和焦距进行高精度的测量。且近些年来，随着科学技术的迅猛发展，在实际应用中人们对所使用透镜各种参数的精度也提出了越发严格的要求，这就要求我们不断寻找一种能更高精度测量透镜顶焦距和焦距的方法。针对透镜顶焦距及焦距测量的方法，传统的有目视调焦放大率法。该方法将被测透镜放置于平行光管物镜前，并将平行光管物镜焦面上的分划板的一对刻线成像在被测透镜焦面上，通过测量放大后刻线的间距进而求得被测透镜的焦距。该方法由于需要测量人员在光具座上逐项进行目视定焦、观测、记录、分析处理数据，所以存在效率低、测值不稳定等缺点，其测量准确度通常为O. 3%左右。近些年随着光电技术及计算机处理技术的发展， 该方法已逐步被一种采用光电探测器和数字图像处理测量透镜顶焦距及焦距的方法所替代。由于该方法避免了测量过程中由人为因素产生的误差，系统的测量精确度得到了很大程度的提高。此外，测量透镜顶焦距及焦距的方法还有自准直望远镜法和自准直显微镜法两种，这两种方法均是通过将被测透镜放置在自准直仪上来实现。用自准直显微镜测量正透镜顶焦距和焦距的准确度较常用的放大率法高出5 30倍，而且设备简单。自准直望远镜法较多用于测量负透镜的焦距和顶焦距，还用于测量甚长焦距的正透镜的焦距，但其测量准确度较低。当然，除上述三种经典的透镜顶焦距及焦距测量方法之外，国内外学者还提出了很多新的测量方法，发表的文献包括发表在《中国测试技术》中的《泰伯-莫尔法测量长焦距系统的焦距》，发表在《光子学报》中的《Ronchi光栅Talbot效应长焦距测量的准确度极限石开究》，发表在《The Optical Society of America》中的《Focal length measurements for the National Ignition Facility large lenses》，发表在《APPLIED OPTICS》中的 ((Talbot interferometry for measuring the focal length of a lens〉〉等，本专利技术人也曾在《OPTICS EXPRESS》中发表文章《Laser differential confocal ultra-long focal length measurement)).但以上文献提出的透镜顶焦距及焦距测量方法均仅适用于测量超长焦距，若用于一般焦距及较短焦距的测量，则或误差较大或无法实现。近年来，国内外显微成像领域的共焦技术迅速发展，与传统的测量方法相比具有良好的层析能力，较高的轴向定位瞄准精度，较强的环境抗干扰能力；与差动共焦技术相比，共焦技术光路简单，易于实现。本专利技术人在共焦显微成像技术的启发下，率先提出将共焦测量技术应用于元件参数测量领域，利用共焦技术的高轴向分辨率提高元件参数的检测精度，现已申请多项国家专利技术专利，例如专利“共焦透镜中心厚度测量方法与装置”(专利号:201010128449. 8)，专利“共焦镜组轴向间隙测量方法与装置”(专利号 201010128405. 5)等。本专利技术是基于共焦技术的又一元件参数测量方法，该技术相比于传统测量方法具有测量精度高、抗干扰能力强及光路简单等诸多优点，并且该技术易与环形光瞳滤波器等技术融合，能更进一步提高其测量精度。
技术实现思路
为了提高透镜顶焦距及焦距的测量精度，本专利技术提出一种，将自准直思想融入共焦测量方法，进而实现透镜顶焦距及焦距的高精度测量。其核心思想是，引入辅助平面反射镜将被测透镜准直成的平行光束沿原光路反射折回，并配合共焦技术对被测透镜的焦点及表面顶点进行精确定位，进而得到被测透镜的顶焦距及焦距。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术的一种，包括以下步骤(a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜后形成平行光束，该平行光束经会聚透镜会聚后形成测量光束照射在被测透镜上。辅助平面反射镜放置于被测透镜后方， 透过被测透镜的光束被辅助平面反射镜反射。反射回来的光经被测透镜、会聚透镜和准直透镜后由分光镜反射进入共焦测量系统；(b)被测透镜与辅助平面反射镜组成被测系统，移动被测系统能使被测透镜和辅助平面反射镜同时沿光轴方向移动。调整被测透镜，使其与测量光束共光轴，调整辅助平面反射镜，使其表面与测量光束光轴相垂直；(C)沿光轴方向移动被测系统，使测量光束的聚焦焦点与被测透镜焦点接近。当测量光束聚焦焦点与被测透镜的焦点重合时，测量光束经被测透镜准直后再次形成平行光束照射在辅助平面反射镜上，辅助平面反射镜将照射在其表面上的光束沿原光路反射折回。在该位置附近扫描被测系统，由共焦测量系统测得共焦响应曲线，通过共焦响应曲线的最大值点来确定测量光束的聚焦焦点与被测透镜焦点相重合，进而精确确定被测透镜的焦点位置，记录此时被测系统的位置Z1 ;(d)继续沿光轴方向移动被测系统，使测量光束聚焦于被测透镜表面附近。在该位置附近扫描被测系统，由共焦测量系统测得共焦响应曲线，通过共焦响应曲线的最大值点来确定测量光束的聚焦焦点与被测透镜表面相重合，进而精确确定被测透镜表面顶点位置，记录此时被测系统的位置Z2 ;(e)根据上述两次定焦得到的被测系统位置Zl、Z2,即可得到被测透镜的顶焦距Ijj — I Zj-Z2 I O本专利技术所述的，还可以用来测量被测透镜焦距 根据被测透镜前表面曲率半径F1、后表面曲率半径r2、折射率η和厚度b，可间接测得被测透镜的焦距本专利技术所述的，还可以在光路中增加环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，减弱定焦时波相差对测量光束的影响，提高定焦精度。本专利技术所述的，还可以在测量光束中增加焦深压缩光学系统，使其与共焦测量系统配合工作，提高定焦灵敏度。本专利技术所述的，还可以对点光源发出的光进行光强调制，由共焦测量系统中的光强传感器探测得到受调制的共焦响应信号，将该调制信号解调后得到共焦响应曲线，从而提高系统的定焦灵敏度。有益效果本专利技术对比已有技术具有以下创新点I.首次将自准直测量思想融入共焦测量方法中，利用共焦响应曲线的过最大值点精确确定被测透镜的焦点及表面顶点位置，进而测得被测透镜的顶焦距及焦距；2.本测量方法中，共焦原理以光强响应曲线作为定焦判据，并配合共焦系统进行光强调制与滤波，能有效削减空气扰动等环境干扰对测量精度的影响；3.在光路中引入环形光瞳，遮挡近轴光线，形成空心的测量光锥，削减了像差对测量结果的影响。本专利技术对比已有技术具有以下显著优点I.共焦技术以轴向的光强响应曲线作为评价尺度，由于光学系统的物距变化引起的轴向放大率变化是垂轴放大率变化的平方，所以本专利技术相比放大率法等焦距测量方法具有更高的测量精度；2.共焦测量系统光路简单，易于实现，可有效降低系统研发成本；3.经系统准直透镜出射的平行光束的平行度对测量本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：邱丽荣，张鑫，杨佳苗，赵维谦，李志刚，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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